C-clamp结构域选择性识别含非甲基化CpG位点的DNA序列的分子机制

DNA methylation is the most extensively studied epigenetic mechanism, which often occurs at CpG sites and can regulate gene expression by promoting or preventing the binding of certain transcription factors to their target sites. The C-clamp domain is a “reader” of CpG methylation found in GEF and TCF family transcription factors, which can selectively bind to DNA sequences containing a non-methylated CpG site. GEFs regulate genes involved in various cellular processes such as apoptosis, immune responses, and lipid formation, while TCFs are the main effector transcription factors of the canonical Wnt signaling pathway. The C-clamp domain is a highly conserved zinc finger domain with unique sequence features. Its structure and DNA binding mechanism have not been reported yet. Based on solution NMR and other related techniques in molecular biology, this project aims to illustrate the molecular mechanism of how the C-clamp domain selectively targets non-methylated CpG DNA, which should provide new insights in understanding related biological and pathological processes.

DNA甲基化是真核生物中最为常见的一种表观遗传修饰，多发生在CpG位点，可通过影响转录因子与DNA的结合调控基因表达。C-clamp结构域可选择性识别含非甲基化CpG位点的DNA序列，存在于GEF及TCF家族转录因子中，帮助两类转录因子依据基因组甲基化水平变化发挥相应的转录调控功能。GEF家族转录因子参与细胞凋亡、免疫应激、脂肪生成等多种生理过程的调控，而TCF家族转录因子是经典Wnt信号通路的主要转录因子，它们均与多种疾病的发生密切相关。C-clamp结构域在后生动物中高度保守，属于锌指结构域，但其序列特征与已知的锌指结构域均不相同。其结构及DNA结合机制亦尚未被报道。本项目以核磁共振技术为主要研究手段，结合其他分子生物学研究方法，旨在阐明C-clamp结构域选择性识别含非甲基化CpG位点的DNA序列的分子机制，推动相关生理和病理过程的研究工作。

Cysteine-clamp结构域，简称C-clamp结构域，是一类在多细胞动物中高度保守的DNA结合结构域，存在于葡萄糖转运蛋白4增强因子（GEF）和T细胞因子/淋巴增强因子（TCF/LEF）家族蛋白中，帮助他们识别DNA以发挥转录调控功能。GEF家族转录因子参与细胞凋亡、免疫应激、脂肪生成等多种生理过程的调控，而TCF家族转录因子是经典Wnt信号通路的主要转录因子，它们均与多种疾病的发生密切相关。C-clamp结构域属于锌指结构域，但其序列特征与已知的锌指结构域均不相同。它可以特异性识别含非甲基化CpG位点的DNA序列，但其结构及DNA结合机制在之前均尚不清楚。.本项目利用核磁共振技术解析了人类HDBP1蛋白（GEF家族）的C-clamp结构域与DNA复合体的溶液结构，结合序列比对、同源建模、突变体实验验证等方法，阐明了C-clamp结构域的DNA识别机制。研究结果表明：C-clamp结构域是一类新型的锌指结构域，其折叠方式不同于其他已知蛋白；GEF及TCF家族蛋白的C-clamp结构域具有相同的DNA结合方式，但在碱基识别机制上略有不同；GEF家族蛋白的C-clamp结构域利用保守的“Arg…Trp-Lys-Lys”氨基酸残基通过氢键及疏水相互作用选择性识别RCCGG（R=A/G）DNA序列；TCF家族蛋白的C-clamp结构域识别DNA序列的保守残基为“Arg…Arg-Lys-Lys”，其更偏好结合RCCGC（R=A/G）DNA序列；DNA序列中的CpG位点是C-clamp结构域的核心结合位点，其甲基化修饰会在结合界面引入较大的空间位阻，阻碍结合，表明GEF及TCF家族蛋白对靶基因的激活或抑制应与表观遗传修饰情况密切相关。

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